第4章过程输入输出通道接口技术

第4章过程输入输出通道接口技术4.1概述4.1.1信号和采样定理1．信号类型在计算机控制系统中，常用的信号有三种类型：（1）模拟（连续）信号在时间上连续取值，在幅值上连续取值的信号，一般用十进制表示。所谓连续就是连续变化不发生突变，这种是控制对象需要的信号。（2）离散模拟信号在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号。这种是在信号变换过程中需要的中间信号。（3）数字（离散）信号在时间上断续取值，在幅值上断续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。计算机前后的信息转换如图4-1所示。模拟信号模拟信号采样器A/D计算机D/A保持器时间信号连续模拟离散模拟离散数字离散数字离散模拟连续模拟信息输入信息处理信息输出图4-1计算机前后的信息转换2．采样过程的数学描述离散系统的采样形式有：周期采样，就是以相同的时间间隔进行采样，即=常量（T））。T为采样周期。多阶采样：在这种形式下，是周期性重复，即=常量，。随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻进行采样。模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。k+1ktt(0,1,2,kk+rk()ttk+rktt1rtx(t)001234567891011121314x*(t)t/Ta）模拟信号b）离散模拟信号图4-2模拟信号采样示意图3．采样定理采样定理：由采样信号完全无失真地恢复原信号的条件是采样速度要满足下式：其中：，为采样角速度；T为采样周期；为原信号频谱中最高角频率；为的各种信号分量中最小的时间常数。smaxmin212T≥或≤s2π/Tmaxmin)(tx)(tx*()xk()xt4.1.2采样/保持器1．采样/保持器的工作原理采样/保持器主要由模拟开关、保持元件C、缓冲放大器组成，如图4-7所示。Rx*(t)Sx(t)控制VOUTC＋－图4-7采样/保持器电路当控制信号为低电平时（采样阶段），开关S闭合，输入信号通过电阻向电容C充电，要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值。当控制信号为高电平时（保持阶段），开关S断开，A/D转换器根据电容C上的电压进行转换，电容维持稳定电压的时间越长越好。2．常用采样/保持器常用的采样/保持器有AD582、AD583、LF198/398等。LF198/LF298/LF398是由场效应管构成的采样/保持电路，它具有采样速度高，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。LF198/298/398的引脚如图4-8所示。当控制逻辑IN－接地时，控制电平与TTL电平兼容。保持电容CH的选取取决于保持时间的长短。当CH=0.01μF，CH上的电压到达0.01%精度时，需25μs，CH上的电压下降率为3mV/s。若A/D转换时间为100μs，CH上的电压下降约0.3μV。控制逻辑IN-保持电容CH控制逻辑IN+输出偏置输入V+V-12348765图4-8LF198系列引脚图LF398的应用如图4-9所示。1RHCH-15V+15VVOUT采样保持IN(+)VxLF3984576385V0V图4-9输出保持采样输入平均值的电路在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D和D/A外，通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计，往往采用多路模拟开关。1．模拟开关的参数多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列参数：4.1.3模拟开关（1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关尽管断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。（2）泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。（3）切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。（4）开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。2．常用模拟开关（1）CD4051CD4051为单端8通道低价格模拟开关，引脚如图4-10所示。1234567816151413121110946COM75INHVEEVSSVDD203ABC1图4-10CD4051引脚其中INH为禁止端，当INH为高电平时，八个通道全部禁止；当INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为公共端，真值表如表4-1所示。输入接通通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171XXX禁止表4-1CD4051通道12345678161514131211109A0ENV-NO1NO2NO3NO4COMA1A2V+NO5NO6NO7NO8GND图4-11MAX354引脚图（2）MAX354MAX354是MAXIM公司生产的8选1多路模拟开关，引脚如图4-11所示，真值表如表4-2所示。输入接通通道ENCBA1000NO11001NO21010NO31011NO41100NO51101NO61110NO71111NO80XXX禁止表4-2MAX354真值表（3）CD4052CD4052为低成本差动4通道模拟开关，引脚如图4-12所示，真值表如表4-3所示。其中X、Y分别为X组和Y组的公共端。123456781615141312111090Y2YY3Y1YINHVEEVSSVDD2XX0X3XAB1X图4-12CD4052引脚图输入接通通道INHBA0000X，0Y0011X，1Y0102X，2Y0113X，3Y1XX禁止表4-3CD4052真值表（4）MAX355MAX355是MAXIM公司生产的差动4通道模拟开关，引脚如图4-13所示，真值表如表4-4所示。输入接通通道ENBA100NO1A，NO1B101NO2A，NO2B110NO3A，NO3B111NO4A，NO4B0XX禁止表4-4MAX355真值表12345678161514131211109A0ENV-NO1ANO2ANO3ANO4ACOMAA1V+COMBGND图4-11MAX355引脚图NO1BNO2BNO3BNO4B其中COMA、COMB分别为A组和B组的公共端。MAX355除为差动4通道外，其它性能参数与MAX354相同。3．多路开关的选用在多路开关的选用时，常要考虑许多因素，如需多少路？要单端型还是差动型？开关电阻多大？控制电平多高？另外还要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。4.1.432通道模拟量输入电路设计实例在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路模拟量输入通道，下面以32通道模拟量输入电路为例介绍其设计方法。1．硬件电路32通道模拟量输入电路如图4-14所示。图4-1432通道模拟量输入电路74HC13874HC273VCC1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q8D8QCLKCLRGNDA/D转换器D0～D7CHSEL10kΩ+5V+5VAY0BY1CY2G1Y3G2AG2BGNDCD4051AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7+12V－6VVDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7CD4051AIN8AIN9AIN10AIN11AIN12AIN13AIN14AIN15+12V－6VVDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7CD4051AIN16AIN17AIN18AIN19AIN20AIN21AIN22AIN23+12V－6VVDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7CD4051AIN24AIN25AIN26AIN27AIN28AIN29AIN30AIN31+12V－6VVDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7D0D1D2D3D4D5D6D7在图4-14中，采用74HC273八D锁存器，74HC138译码器，CD4051模拟开关扩展了32路模拟量输入通道AIN0~AIN31。2．通道控制字32路模拟量输入的通道控制字如图4-15所示。D7D6D5D4D3D2D1D0选中通道控制字未用为01000000AIN040H1000001AIN141H1000010AIN242H1000011AIN343H1000100AIN444H1000101AIN545H1000110AIN646H1000111AIN747H1001000AIN848H1001001AIN949H1001010AIN104AH1001011AIN114BH1001100AIN124CH1001101AIN134DH1001110AIN144EH1001111AIN154FH1010000AIN1650H1010001AIN1751H1010010AIN1852H1010011AIN1953H0101000AIN2054H1010101AIN2155H1010110AIN2256H1010111AIN2357H1011000AIN2458H1011001AIN2559H1011010AIN265AH1011011AIN275BH1011100AIN285CH1011101AIN295DH1011110AIN305EH1011111AIN315FHG1CBACBA74HC138CD4051图4-15通道控制字3．程序设计假设选中AIN12通道，则通道控制字为4CH。（1）背景机为80C196CPULDBX,#CHSEL;通道地址CHSEL送BXLDBAL,#4CH;选中AIN12通道的控制字送ALSTBAL,[BX];写入通道控制字（2）背景机为AT89C52CPUMOVDPTR,#CHSELMOVA,#4CHMOVX@DPTR,A（3）背景机为80C88CPUMOVDX,CHSELMOVAL,4CHOUTDX,AL4.2模拟量输入通道4.2.1模拟量输入通道的组成模拟量输入通道根据应用要求的不同，可以有不同的结构形式。图4-16是多路模拟量输入通道的组成框图。放大器采样-保持A/DCPU总线接口CPU总线过程参数检测．．．模拟开关控制信号处理信号处理信号处理图4-16模拟量输入通道的组成从图4-16可看出，模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大器、采样—保持器和A/D转换器组成。根据需要，信号处理可选择的内容包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换等。4.2.2A/D转换器的工作原理1．逐次逼近式A/D转换原理逐次逼近式A/D转换电路框图如图4-17所示。它主要由逐次逼近寄存器SAR、数字/电压转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成。比较器D/A转换＋SAR时序及控制逻辑VC状态线转换命令Vx数字量－输出基准电源图4-17逐次逼近式A/D转换原理图逐次逼近式A/D转换是逐次把设定在SAR中的数字量所对应的A/D转换网络输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从SAR中的最高位开始